超聲MEMS傳感器正從醫(yī)療成像到自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域重塑百億級(jí)市場(chǎng)。然而，其測(cè)試面臨高壓驅(qū)動(dòng)、快速邊沿、多級(jí)脈沖等嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。本文以德思特TS-AWG4000系列任意波形發(fā)生器為核心，解析其如何以12Vpp@50Ω以及24Vpp@Hiz高壓輸出、1.1ns邊沿和靈活序列器功能，成為超聲MEMS設(shè)計(jì)驗(yàn)證的關(guān)鍵工具。

一、什么是MEMS傳感器？

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）是一項(xiàng)將機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子電路集成在同一芯片上的技術(shù)。它利用硅材料獨(dú)特的機(jī)械特性，制造出尺寸在微米乃至納米級(jí)別的敏感元件，能夠感知加速度、角速率、振動(dòng)、壓力、溫度、濕度以及聲波等物理和環(huán)境信號(hào)。

如今，MEMS傳感器已無處不在：智能手機(jī)中的加速度計(jì)和陀螺儀、汽車中的氣囊觸發(fā)傳感器和胎壓監(jiān)測(cè)、無人機(jī)中的慣性測(cè)量單元、可穿戴設(shè)備中的心率監(jiān)測(cè)……而在眾多MEMS器件中，超聲MEMS傳感器正成為一個(gè)快速增長(zhǎng)的重要分支。

超聲MEMS傳感器

與傳統(tǒng)壓電超聲換能器相比，基于MEMS的超聲傳感器（如電容式微機(jī)械超聲換能器，CMUT）體積更小、帶寬更寬、功耗更低，且易于與信號(hào)處理電路集成。這些優(yōu)勢(shì)使其在醫(yī)學(xué)成像、汽車自動(dòng)駕駛、無人機(jī)避障、物聯(lián)網(wǎng)測(cè)距等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

然而，超聲MEMS器件的測(cè)試與表征面臨一系列挑戰(zhàn)：需要高電壓幅度（通常10 Vpp以上）的驅(qū)動(dòng)脈沖、可編程的脈沖寬度和上升/下降時(shí)間、靈活的多電平脈沖生成能力，以及模擬真實(shí)噪聲環(huán)境的信號(hào)源。這些需求對(duì)信號(hào)發(fā)生器提出了很高的要求。

本文介紹的德思特TS-AWG4000系列任意波形發(fā)生器，正是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的理想解決方案。

二、AWG在各行業(yè)超聲MEMS測(cè)試中的關(guān)鍵應(yīng)用

1.汽車自動(dòng)駕駛：傳感器安全性的驗(yàn)證工具

自動(dòng)駕駛技術(shù)的安全性高度依賴于傳感器的可靠性。超聲波傳感器在汽車中有兩個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景：低速行駛時(shí)的泊車輔助與障礙物檢測(cè)，以及高速行駛時(shí)的盲點(diǎn)監(jiān)測(cè)。傳感器應(yīng)準(zhǔn)確檢測(cè)障礙物，同時(shí)避免誤報(bào)。

然而，超聲波傳感器面臨著潛在的安全威脅：

欺騙攻擊：攻擊者發(fā)射與傳感器自身信號(hào)（頻率、調(diào)制等完全相同）的偽造回波，使傳感器錯(cuò)誤報(bào)告不存在的障礙物。通過精心調(diào)整信號(hào)時(shí)機(jī)，可以在任意位置“制造”假障礙物。

干擾攻擊：注入相似但更強(qiáng)的信號(hào)壓制真實(shí)回波，導(dǎo)致傳感器無法檢測(cè)真實(shí)障礙物，甚至進(jìn)入拒絕服務(wù)狀態(tài)。

超聲傳感器面臨的欺騙示意圖

TS-AWG4000的解決方案

欺騙攻擊模擬：序列器可裝載脈沖序列、直流電平（模擬暫停）和回波信號(hào)，精確復(fù)現(xiàn)攻擊波形。通過獲得與目標(biāo)傳感器相同頻率的換能器，并由AWG-4000驅(qū)動(dòng)，可在實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)各類欺騙場(chǎng)景。

干擾攻擊模擬：在高阻抗下輸出最高24 Vpp的方波脈沖，干擾距離由輸出電壓電平精確控制。內(nèi)置高斯隨機(jī)噪聲發(fā)生器可產(chǎn)生持續(xù)的超聲噪聲，模擬干擾攻擊導(dǎo)致的傳感器膜持續(xù)振動(dòng)狀態(tài)。

環(huán)境噪聲模擬：波形編輯器支持為信號(hào)添加噪聲和濾波功能，驗(yàn)證傳感器在真實(shí)嘈雜環(huán)境下的可靠性。

TS-AWG4000系列的序列器裝載了一列脈沖、一個(gè)作為暫停的直流電平和一個(gè)作為超聲響應(yīng)的回波

2.無人機(jī)與機(jī)器人：微型化測(cè)距與通信

基于MEMS的超聲傳感器提供與傳統(tǒng)超聲傳感器同等的性能和可靠性，但其體積縮小至傳統(tǒng)產(chǎn)品的1/1000以下，功耗降低約100倍。這些微型傳感器使智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、無人機(jī)等緊湊型設(shè)備中的超聲波傳感成為可能。

在測(cè)距應(yīng)用中，傳感器發(fā)出超聲波脈沖（或“啁啾”信號(hào)），通過飛行時(shí)間（ToF）計(jì)算與目標(biāo)的距離。在通信應(yīng)用中，采用頻率呈鋸齒波變化的啁啾信號(hào)進(jìn)行FMCW調(diào)制，可估算節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)距離和速度，且無需精確的時(shí)鐘同步。

超聲傳感器在測(cè)距與通信中的應(yīng)用示意圖

TS-AWG4000的解決方案

Simple AFG界面支持直接生成掃頻啁啾信號(hào)，無需復(fù)雜編程

可實(shí)時(shí)調(diào)整掃頻范圍、周期和幅度，快速驗(yàn)證不同參數(shù)下的測(cè)距與通信性能

3.醫(yī)學(xué)超聲成像：CMUT器件的理想驅(qū)動(dòng)

在醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域，CMUT技術(shù)近年來備受關(guān)注。與傳統(tǒng)的壓電換能器相比，CMUT具有更寬的操作帶寬、更小的器件體積，以及更易于實(shí)現(xiàn)大型陣列的制造工藝。這些特性使其在低成本、非侵入性、高時(shí)空分辨率的實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)成像中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

CMUT驅(qū)動(dòng)面臨的挑戰(zhàn)：CMUT器件需要高壓脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)足夠的聲壓輸出。具體而言，在驅(qū)動(dòng)浸入油環(huán)境中的CMUT器件時(shí)，需要頻率約1.25 MHz、幅度超過10 Vpp的脈沖信號(hào)。脈沖寬度、周期以及聲壓量（與最大電壓相關(guān)）需根據(jù)具體成像應(yīng)用和換能器特性在系統(tǒng)層級(jí)確定。

TS-AWG4000的解決方案

提供高達(dá)24Vpp@ HiZ 的輸出電壓，可實(shí)現(xiàn)48V的電壓輸出窗口，遠(yuǎn)超10 Vpp的基本需求

支持兩電平、三電平脈沖的便捷生成，滿足不同成像模式的驅(qū)動(dòng)要求

通過波形編輯器軟件工具允許實(shí)時(shí)添加噪聲和濾波器，模擬臨床真實(shí)環(huán)境

使用TS-AWG4000任意波形發(fā)生器進(jìn)行超聲微機(jī)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試

德思特AT任意波形發(fā)生器波形編輯器工具

在實(shí)際測(cè)試配置中，CMUT安裝的PCB置于模擬水下環(huán)境的容器中（常用植物油），水聽器放置在距離CMUT幾毫米處測(cè)量傳遞的聲壓并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。TS-AWG4000提供精確的驅(qū)動(dòng)脈沖，是實(shí)現(xiàn)這一測(cè)試閉環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

三、總結(jié)

超聲MEMS傳感器正在從醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無損檢測(cè)、汽車自動(dòng)駕駛到無人機(jī)避障、物聯(lián)網(wǎng)測(cè)距等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。市場(chǎng)預(yù)測(cè)顯示，該細(xì)分市場(chǎng)規(guī)模在2025年將達(dá)到約60億美元。

在這一快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域中，高效、可靠的測(cè)試與表征工具不可或缺。德思特TS-AWG4000系列任意波形發(fā)生器憑借其高壓輸出（24Vpp@Hiz）、快速邊沿（1.1 ns）、靈活的參數(shù)調(diào)整能力、多級(jí)脈沖生成、內(nèi)置噪聲源和序列器功能，已成為下一代超聲MEMS系統(tǒng)及其組件設(shè)計(jì)、測(cè)試與表征的關(guān)鍵工具。

無論是驅(qū)動(dòng)CMUT進(jìn)行醫(yī)學(xué)成像研究，還是驗(yàn)證自動(dòng)駕駛超聲波傳感器的安全性，抑或是開發(fā)微型化的無人機(jī)測(cè)距模塊，TS-AWG4000都提供了一個(gè)靈活、強(qiáng)大且易于使用的信號(hào)生成平臺(tái)。